專利名稱：一種鎂處理的易焊接高強韌x80管線鋼的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于低合金高強度鋼生產(chǎn)領(lǐng)域，特別涉及一種經(jīng)過鎂處理的易焊接高強韌 X80管線鋼的實驗室制備方法。
背景技術(shù)：
隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，石油、天然氣用量不斷增長，國內(nèi)管線鋼發(fā)展異常迅速，未來10年將是我國油氣輸送管線建設的井噴期。X80管線鋼由于其高強度、高韌性已應用于在建的“西氣東輸二線”輸氣管道工程及中俄石油管道工程的主干管線。盡管目前國內(nèi)已有很多大中型鋼廠能生產(chǎn)X80級別管線鋼，但是傳統(tǒng)的X80級別管線鋼主要采用低碳、高鈮的成分設計，高Nb的加入雖然可以顯著細化晶粒，提高管線鋼的強韌性，但是過量 Nb的加入會明顯降低焊接粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)的低溫沖擊韌性。大線能量焊接管線鋼可以顯著提高管道的鋪設效率、節(jié)約成本，是管線鋼未來發(fā)展的主要趨勢之一。傳統(tǒng)高強X80管線鋼經(jīng)過大線能量焊接熱過程后，焊接粗晶熱影響區(qū) (CGHAZ)的晶粒嚴重粗化和組織結(jié)構(gòu)的改變將使得熱影響區(qū)的性能與管線鋼性能嚴重不匹配，焊接接頭熱影響粗晶區(qū)不再具有管線鋼的許多優(yōu)異性能。為了使X80管線鋼具有較好的大線能量焊接性能，就必須要在傳統(tǒng)X80成分設計基礎上進行優(yōu)化。近年來，為了改善 X80級別管線鋼在大線能量焊接時，焊接粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)低溫沖擊韌性顯著降低這一缺點，有學者提出了氧化物冶金概念，通過往鋼水中加Ti、Mg等元素形成復合夾雜物來改善焊接粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)韌性，但是大多都是單獨研究Ti或者Mg對提高焊接粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)韌性這一現(xiàn)象，對Ti、Mg復合加入研究較少，尤其具體提出Ti/Mg比這一概念對提高焊接粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)韌性這一現(xiàn)象的報道更是沒有涉及。單獨添加Ti、Mg 等元素對改善大線能量焊接粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)低溫沖擊韌性效果不如復合多元加入的效果明顯，但是復合多元加入要嚴格控制添加元素的比例，而國內(nèi)現(xiàn)有文獻未見相關(guān)報道。本發(fā)明就是采用低碳基礎上添加適量微合金元素，重點關(guān)注Ti/Mg比的新型成分設計體系，通過兩階段控制軋制和水冷控制相變技術(shù)，獲得針狀體素體的復合組織，得到強度、韌性、和優(yōu)良焊接性能的X80級別管線鋼，滿足在較大焊接熱輸入下X80級管線鋼中厚板粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)低溫沖擊韌性的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種鎂處理的易焊接高強韌X80管線鋼的生產(chǎn)方法，尤其解決傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的高強管線鋼，焊接性能不足、無法大線能量(穩(wěn)定性)焊接的問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的鋼種通過適當?shù)亟档蛡鹘y(tǒng)X80管線鋼中Nb含量，重點控制鋼中Ti/Mg比的合金成分設計原則，其原理在于(1)降低Nb對焊接熱影響區(qū)沖擊韌性不利的影響，大線能量焊接時粗晶熱影響區(qū)加熱溫度可達到1350°C以上，此時含Nb (CN) 析出物，已經(jīng)全部融解，起不到高溫阻止奧氏體長大的細化晶粒效果，此外在隨后的低溫
t8_5冷卻階段，冷卻速度較慢，Nb將主要以粗大的析出物形式，存在于原奧氏體晶界處，對粗晶熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性產(chǎn)生負面影響；(2)重點控制合金成分中Ti/Mg比對焊接粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)低溫沖擊韌性的影響，使組織中形成彌散分布2Mg0*Ti02類復合夾雜，此類細小彌散分布的夾雜在高溫起到很好的阻礙奧氏體晶粒長大效果以及低溫冷卻時作為針狀鐵素體的形核核心的雙重作用，有效的細化焊接粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)組織晶粒； (3)為了彌補少Nb帶來細化晶粒不足，在粗軋階段，采用高溫大壓下，確保每道次壓下率> 20%，使高溫奧氏體充分再結(jié)晶，細化原奧氏體晶粒；在精軋階段，采用低溫大變形的軋制原理，在組織中形成高密度的位錯，為后來的控冷過程針狀鐵素體組織提供形核核心，最終細化針狀鐵素體組織。基于以上設計原理，在成分的選擇上，本發(fā)明采用低碳基礎上添加適量微合金元素，重點關(guān)注Ti/Mg比的新型成分設計體系下實現(xiàn)高強韌X80管線鋼的可焊接性。本發(fā)明包括兩方面內(nèi)容一是低碳微合金、控制Ti/Mg比的成分設計思路，二是實驗室生產(chǎn)鎂處理易焊接高強韌X80管線鋼的制備工藝。(1) 一種鎂處理易焊接高強韌X80管線鋼質(zhì)量百分比成分為C 0. 03-0. 06% ； Si 0. 1-0. 3% ；Mn 1. 6-1. 8% ；Mg 0. 001-0. 01% ；Al 0. 02-0. 04% ；Nb 0. 02-0. 06% ；Ti 0. 01-0. 03% ；Cr 0. 1-0. 5% ；Mo 0. 1-0. 4% ；Ni 0. 3-0. 5% ；Cu 0. 1-0. 5% ；0 0. 001-0. 003% ； P^O. 012% ；S ( 0. 003% ；余量為Fe和不可避免的其它雜質(zhì)元素；焊接裂紋敏感系數(shù) Pcm=C+Si/30+ (Mn+Cu+Cr) /20+Ni/60+Mo/15+V/10 ( 0. 19 ；Ti/Mg 控制在 1-30 之間。主要合金元素成分和作用如下
碳碳是鋼中最經(jīng)濟、最基本的強化元素，通過固溶強化和析出強化的作用對提高鋼的強度有明顯的作用，但為了使鋼板具有良好的焊接性能、較好的低溫沖擊韌性，在保證形成足夠的NbC、TiC等高熔點的碳化物的情況下，必須降低鋼中的含碳量。本發(fā)明材料的碳含量控制在0. 03 0. 06%。錳弱碳化物形成元素，是管線鋼中補償因C含量降低而引起強度損失的最主要且最經(jīng)濟的強化元素。它在冶煉中的作用是脫氧和消除硫的影響，還可以降低奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，細化鐵素體晶粒，對提高鋼板強度和韌性有益。同時還能固溶強化鐵素體和增加鋼的淬透性。本發(fā)明中Mn元素含量控制在1. 6-1. 8%。鈦一種重要的微合金元素，強的固N元素，在板坯連鑄時可形成細小的高溫穩(wěn)定的TiN析出相。這種細小的TiN粒子可有效地阻礙板坯再加熱時的奧氏體晶粒長大，細化晶粒，提高材料的屈服強度，還可提高Nb在奧氏體中的固溶度，同時對改善焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性有明顯作用。但在大線能量焊接條件下，TiN在高溫下會融解，并不能有效阻止高溫奧氏體晶粒長大，隨后也不能作為低溫針狀鐵素體的形核核心。本發(fā)明中Ti元素含量控制在 0.01-0. 03%。鎂在微鎂處理的X80管線鋼，由于鋼中同時含有鈦、鎂元素，在鋼中會生成 2Mg0-Ti203> Ti203> MgO等脫氧產(chǎn)物，其中前兩種夾雜物在高溫時候能夠較好抑制奧氏體的長大，低溫時作為有利于針狀鐵素體形核核心，控制合適的Ti/Mg比，就可以控制具體的脫氧產(chǎn)物，從而提高管線鋼在大線能量焊接條件下粗晶熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性，這也是本發(fā)明X80管線鋼成分設計中的核心內(nèi)容，本發(fā)明材料的Ti/Mg比控制在1-30之間。鋁在鋼中和其它元素形成細小彌散分布的難熔化合物，在一定程度上能夠細化鋼的晶粒，提高鋼的晶粒粗化溫度。本發(fā)明中Al含量控制在0. 02-0. 04%鈮能產(chǎn)生顯著的晶粒細化和中等的沉淀強化作用。但在大線能量焊接條件下，要控制過高的Nb含量，以防其給焊接熱粗晶熱影響區(qū)沖擊韌性帶來的不利影響。本發(fā)明中Nb含量控制在0. 02-0. 06%。鉬存在于鋼的固溶體和碳化物中，有固溶強化作用，并可提高鋼的淬透性。鉬減緩C化物在奧氏體中的溶解速度，對鋼由奧氏體分解為珠光體的轉(zhuǎn)變有強烈的抑制作用。 本發(fā)明中Mo含量控制在0. 1-0. 4%。鎳能韌化基體，特別是提高鋼的低溫韌性，隨著鋼中鎳含量的增加，韌脆轉(zhuǎn)變溫度顯著降低，低溫韌性得到明顯提高。本發(fā)明中Ni元素含量控制在0. 3-0. 5%。銅可以提高鋼的耐蝕性、強度，改善焊接性、成型性與機加工性能等。面心立方 ε -Cu從α -Fe中析出可使鋼材強化。本發(fā)明中Cu含量控制在0. 1-0. 5%。鉻鉻可以提高鋼的強度和硬度，是鋼具有良好的抗腐蝕性能和抗氧化性，提高鋼的淬透性。本發(fā)明中Cr元素含量控制在0. 1-0. 5%。磷、硫、氧磷、硫元素都是管線鋼中的有害元素，會惡化管線鋼的焊接性能、顯著的降低材料的低溫沖擊韌性、在不顯著提高冶煉成本的情況下，其在管線鋼中的含量越低越好；氧元素含量過高，氧化物夾雜和宏觀夾雜增加，本發(fā)明采用強氧化物元素Ti、Mg來改善變性夾雜，使其誘導針狀鐵素體形核，提高焊接粗晶熱影響區(qū)低溫沖擊韌性。本發(fā)明試驗鋼材料中磷含量控制在0. 012%以下，硫含量控制在0. 003%以下，氧含量控制在 0.001-0. 003%。(2)實驗室生產(chǎn)鎂處理易焊接管線鋼的制造工藝
(a)將備好的材料按配比，放入真空感應爐中冶煉；
(b)將冶煉好的鑄坯，切去冒口，鍛成所需的坯料，鍛造方案為鑄坯加熱到 1150-1250° C，保溫1-3小時后出爐即鍛，終鍛溫度不低于1000° C，鍛成IOOmm厚板坯料；
(c)將經(jīng)b工藝所得的厚IOOmm坯料；軋前進行裝爐加熱，加熱段和均熱段溫度為 1200士30°C，加熱速度 8-10min/cm，加熱時間 60_120min ；
(d)經(jīng)c工藝坯料出爐后，進行除磷工藝，除磷后的坯料進行兩階段控制軋制，即再結(jié)晶區(qū)軋制和未再結(jié)晶區(qū)軋制，再結(jié)晶區(qū)軋制中，開軋溫度為1100-1180°C，粗軋終軋溫度彡9800C ；粗軋結(jié)束后軋坯溫度較高，為確保精軋溫度在未再結(jié)晶區(qū)間，必需進入中間坯待溫，待溫厚度為45-50mm，主要保證未再結(jié)晶區(qū)軋制壓縮比>3T(T:成品目標厚度)，精軋開軋溫度< 880°C，精軋終軋溫度780-810°C ；
(e)精軋后快速進入ACC控冷，冷速15-35°C/s ；
(f)返紅溫度:400-550°C；
本發(fā)明生產(chǎn)出的產(chǎn)品具備良好的綜合性能因采用低碳基礎上添加適量微合金元素， 控制Ti/Mg比的成分設計思路，具有很好的大線線能量焊接性能。力學性能Rta2>565MPa; Rm>670MPa ；伸長率A>19% ；_20°C橫向夏比沖擊功>240J ； 100KJ/cm的焊接模擬線能量下，_20°C粗晶熱影響區(qū)AKv>105J。


圖1和圖2分別是實施方式1的1/4厚度處SEM組織及夾雜能譜圖。
圖3和圖4分別是實施方式2的1/4厚度處SEM組織及夾雜能譜圖。圖5和圖6分別是對比實施方式1的1/4厚度處SEM組織及夾雜能譜圖。
具體實施例方式實施例1
本實施例的高強度高韌性管線鋼按重量百分比計的設計成分為C 0.042，Si 0. 18,Mn 1.65，P 0.001，S 0. 002, 0 0.0015，Al 0. 02，Nb 0.045，Ti 0.015 , Cr 0.3，Mo 0. 22，Ni
0.25，Cu 0. 26，Mg 0. 005，Ti/Mg=3，其余為 Fe 和不可避免雜質(zhì)。按以上成分在真空感應爐中冶煉并澆鑄成50Kg的鑄坯；鑄坯切冒口，鍛成IOOmm 厚、寬90mm、長80mm的軋坯；將軋坯送入加熱爐，加熱溫度1200°C，加熱時間90min ；出爐溫度1170°C，粗軋開軋溫度1150°C，粗軋終軋溫度990°C ；中間坯待溫厚度50mm ；精軋開軋溫度870°C，精軋終軋溫度80(TC ；精軋后快速進入ACC控冷，冷速20°C /s ；返紅溫度470°C， 產(chǎn)品厚度15mm。圖1和圖2分別是本實施例1的1/4厚度處掃描組織及夾雜能譜圖，圖1是鋼板 1/4厚度處金相組織，主要為針狀鐵素體混合組織，圖2為圖1中箭頭所指鎂處理孕育的夾雜物能譜圖。從圖中可以看到在Ti/Mg=3時，夾雜物具有很好的誘導針狀鐵素體形核能力， 從而細化組織晶粒。產(chǎn)品力學性能RtQ.2=585MPa ；Rm=684MPa ；橫向伸長率A=21% ；_20°C橫向沖擊功AKv=255J ； 100KJ/cm的焊接模擬線能量下，_20°C粗晶熱影響區(qū)AKv=108J。實施例2
本實施例的高強度高韌性管線鋼按重量百分比計的設計成分為C 0.041，Si 0. 20,Mn
1.70，P 0. 001，S 0. 002，0 0. 0015，Al 0. 02，Nb 0. 040，Ti 0. 025，Cr 0. 4，Mo 0. 20，Ni 0. 24，Cu 0. 21，Mg 0. 0025，Ti/Mg=10，其余為 Fe 和不可避免雜質(zhì)。按以上成分在真空感應爐中冶煉并澆鑄成50Kg的鑄坯；鑄坯切冒口，鍛成IOOmm 厚、寬90mm、長80mm的軋坯；將板坯送入加熱爐，加熱溫度1200°C，加熱時間90min ；出爐溫度1180°C，粗軋開軋溫度為1160°C，粗軋終軋溫度990°C ；中間坯待溫厚度45mm ；精軋開軋溫度850°C，精軋終軋溫度800°C ；精軋后快速進入ACC控冷，冷速22°C /s ；返紅溫度440°C， 產(chǎn)品厚度12mm。圖3和圖4是本實施例2的1/4厚度處掃描組織及夾雜能譜圖，圖3是鋼板1/4 厚度處金相組織，為針狀鐵素體混合組織，圖4為圖3中箭頭所指鎂處理孕育的夾雜物能譜圖。從圖中同樣可以看到該Ti/Mg控制下的夾雜物具有很好的誘導針狀鐵素體形核能力。最終產(chǎn)品力學性能Rt0.2=578MPa ；Rm=695MPa ；橫向伸長率A=22% ；-20 V橫向沖擊功 AKv=248J ； 100KJ/cm的焊接模擬線能量下，_20°C粗晶熱影響區(qū)AKv=I 16J。從上述具體實施例1、2中，發(fā)明設計的低碳微合金鋼，Ti/Mg都控制在1-30之間， 通過控軋工藝細化原始奧氏體，通過控冷達到所需的針狀鐵素體組織，滿足X80管線鋼標準要求，在lOOKg/cm的焊接模擬線能量下，_20°C粗晶熱影響區(qū)，低溫沖擊功較高，滿足了大線能量焊接條件下X80級別管線鋼的性能使用要求，具有很好的應用前景。對比實施例
本對比實施例的高強度高韌性管線鋼按重量百分比計的設計成分為C 0.046，Si 0. 19，Mn 1. 63，P 0. 001，S 0. 002，Alt 0. 02，Nb 0. 042，Ti 0. 015，Cr 0. 37，Mo 0. 21，Ni0. 32，Cu 0. 25，Mg 0. 02，Ti/Mg=0. 75，其余為 Fe 和不可避免雜質(zhì)。按以上成分在真空感應爐中冶煉并澆鑄成50Kg的鑄坯；鑄坯切冒口，鍛成IOOmm 厚、寬90mm、長80mm的軋坯；將板坯送入加熱爐，加熱溫度1200°C，加熱時間90min ；出爐溫度1160°C，粗軋開軋溫度為1140°C，粗軋終軋溫度990°C ；中間坯待溫厚度45mm ；精軋開軋溫度850°C，精軋終軋溫度780°C ；精軋后快速進入ACC控冷，冷速25°C /s ；返紅溫度480°C， 產(chǎn)品厚度13mm。圖5和圖6分別是本對比實施例1的1/4厚度處掃描組織及夾雜能譜圖，圖5是鋼板1/4厚度處金相組織，圖6為圖5中箭頭所指夾雜物能譜圖。從圖中可以看到當Ti/Mg =0. 75時，夾雜物主要為MgO類，一般不能起到較好的夾雜物誘導形核，從圖5中就可以看到此類沒有起到很好的針狀鐵素體形核效果。最終產(chǎn)品力學性能Rta2=557MPa ；Rm=665MPa ； 橫向伸長率A=19. 5% ；-20°C橫向沖擊功AKv=208J ；lOOKJ/cm的焊接模擬線能量下，_20°C粗晶熱影響區(qū)AKv=56J。從對比實施例1中，發(fā)明設計的低碳微合金鋼，Ti/Mg為0. 75，超出了設計的1_30 之間，生成的夾雜主要為MgO類，沒有起到很好的誘導針狀鐵素體形核，在隨后的一系列焊接模擬條件下，lOOKJ/cm的焊接模擬線能量下，_20°C粗晶熱影響區(qū)AKv=56J，大線能量焊接粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)較低，不能滿足大線能量焊接條件下X80級別高強韌管線鋼的性能使用要求。
權(quán)利要求
1.一種鎂處理的易焊接高強韌X80管線鋼的制備方法，其特征在于具體步驟如下(a)高強韌X80管線鋼的化學成分質(zhì)量百分比如下C 為 0. 03-0. 06%、Si 為 0. 1-0. 3%、Mn 為 1. 6-1. 8%、Mg 為 0. 001-0. 01%、Ti 為 0. 010-0. 03%、A1 為 0. 02-0. 04%,Nb 為 0. 02-0. 06%、Cr 為 0. 1-0. 5%、Mo 為 0. 1-0. 4%、Ni 為 0. 3-0. 5% ；、Cu 為 0. 1-0. 5%、P 彡 0. 012%、S ( 0. 003%，其中 Ti/Mg 控制在 1-30 之間，余量為Fe ；將備好的材料按配比，放入真空感應爐中冶煉；(b)將冶煉好的鑄坯，切去冒口，鍛成所需的坯料，鍛造方案為鑄坯加熱到 1150-1250°C，保溫1-3小時后出爐即鍛，終鍛溫度不低于1000° C，鍛成厚板坯料；(c)將經(jīng)步驟b工藝所得的厚板坯料；軋前進行裝爐加熱，加熱段和均熱段溫度為 1200士30°C，加熱速度 8-10min/cm，加熱時間 60_120min ；(d)經(jīng)步驟c工藝坯料出爐后，進行再結(jié)晶區(qū)軋制和未再結(jié)晶區(qū)軋制，再結(jié)晶區(qū)軋制中，開軋溫度為1100-1180°C，粗軋終軋溫度彡980°C ；中間坯待溫厚度為45_50mm，未再結(jié)晶區(qū)軋制壓縮比> 3T，其中T為成品目標厚度，精軋開軋溫度彡880°C，精軋終軋溫度 780-810 0C ；(e)精軋后快速進入ACC控冷，冷速15-35°C/s ；(f)返紅溫度400-550°C，最后得到為針狀鐵素體的優(yōu)良組織。
2.如權(quán)利要求1所述的鎂處理的易焊接高強韌X80管線鋼，其特征在于，厚度為 10-15mm,其綜合力學性能如下屈服強度RtO. 2>565MPa ；抗拉強度Rm>670MPa ；伸長率 A>19% ；-20°C橫向沖擊功AKv》40J ； 100KJ/cm的焊接模擬線能量下，_20°C粗晶熱影響區(qū) AKv>105Jo
全文摘要
一種鎂處理的易焊接高強韌X80管線鋼的制備方法，屬于低合金高強度鋼生產(chǎn)領(lǐng)域。首先按成分配比備料，然后進行真空感應爐熔煉，鑄坯鍛造，控制軋制和控制冷卻，其特征鍛坯軋前加熱溫度為1170-1230℃；保溫時間為60-120分鐘；粗軋開軋溫度為1100-1180℃；粗軋終軋溫度≥980℃，中間坯待溫厚度為45-50mm，精軋開軋溫度≤880℃，精軋終軋溫度780-810℃；精軋壓下比＞3T(T成品目標厚度)；成品目標厚度10-15mm。精軋后快速進入ACC控冷，冷速15-35℃/s；返紅溫度400-550℃；生產(chǎn)的高強韌X80管線鋼具有典型的針狀鐵素體組織，具備良好的綜合力學性能和較高的大線能量焊接性能。
文檔編號B21B37/74GK102181802SQ20111010087
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月21日
發(fā)明者唐荻, 朱海寶, 武會賓 申請人:北京科技大學